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目前体外证实具有软骨分化潜能的干细胞包括:①骨髓来源 1.1.1白体软骨细胞:软骨细胞是终末分化细胞,可以合成 的问充质干细胞;②脂肪来源的间充质干细胞;③胚胎干细 ECM,如II型胶原和蛋白多糖聚合物等,是组织工程软骨研究 胞;④其他来源的问充质干细胞。 最早,也最常采用的软骨种子细胞,通过胶原酶直接消化关 1.1.3.1骨髓来源的问充质干细胞:1976年,Friedenstein[53将 节软骨、骺板软骨、肋软骨和耳软骨组织等获得 ]。自体软骨 利用骨髓贴壁培养的方法分离的具有多向分化的细胞命名 鱼 中国美容医学2010年4月第l9卷第4期Chinese Journal of Aesthetic Medicine.Apr.2010.Vo1.19.No.4 为骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)。骨髓可取自骨干、髂骨、肋骨,来源相对充足, 肌肉源性基质干细胞诱导成了成熟的软骨;Fuchs等[12 以羊 脐血干细胞构建出了与天然软骨具有相似组织学特性的三 获取方法简便易行。BMSCs在诱导因子作用下可向软骨细胞 分化,已被公认有可能成为软骨组织工程理想的种子细胞来 维软骨。Waki—tam等[131培养兔胫骨膜细胞,修复兔股骨髁全 层软骨缺损,24周时软骨下骨完全形成,新生软骨组织无骨 化现象。目前,国内尚有学者对外周血来源的干细胞在软骨 方面的分化加以研究。 l_1.3.6 BMSCs与软骨细胞共培养:基于BMSCs和软骨细胞 均不能完全满足组织工程对种子细胞的要求,那么将两种细 胞优势互补,进行共培养来优化和扩大软骨组织工程的种子 细胞源就成为可供选择的方式。周广东等[141将软骨细胞与 源。目前,用于BMSCs分离的方法主要有:贴壁筛选法、密度 梯度离心法、细胞表面分子标记分选法和细胞筛选法,以I 型胶原凝胶为载体材料复合骨髓MSCs修复全骺软骨缺损, 证实正常关节软骨形成。活体实验表明,诱导分化的软骨细 胞植入体内可获得软骨缺损的修复[61。 1.1.3.2胚胎干细胞(embryonic stem cellS,ESCs):主 要来源于受精卵发育成的早期胚胎,也可从体细胞核移 BMSCs混合培养,能诱导BMSCs在体内非软骨形成部位向软 骨分化,并形成软骨组织,整个过程无需另外添加细胞因子。 植发育的胚胎获得。是胚胎发育早期胚泡内细胞团中未 分化的细胞,具有以下特点:①具有受精卵的某些特性, 可多向分化、无限增殖,可以分化成胎儿和成体内各种类 因此,BMSCs和软骨细胞共培养对优化和扩大种子细胞源可 能是一种实用的策略。 2支架材料 生物支架材料不仅提供软骨细胞生长依附的空问架构、 力学需求和几何形状,更重要的是它作为细胞外基质之一, 可以协调生物活性因子和细胞之间的相互作用,增进细胞的 型的组织细胞;②可以在体外增殖并保持未分化二倍体 的状态,具有全能性和形成嵌合体动物的能力;⑧可以在 体外培养条件下建立稳定的细胞系,长期培养并保持未 分化二倍体的状态,具有全能性和形成嵌合体动物的能 力;③可以在体外培养条件下建立稳定的细胞系,长期培 养并保持高度未分化状态和发育潜能性。因此,胚胎干 细胞有望成为软骨组织工程中新的种子细胞的理想来 源。白上世纪8O年代初,有学者[71N用早期胚胎的内细胞 团或上胚层细胞建立ESCs系后,Kramer等研究证实ESCs 在BMP一2及BMP一4作用下可分化为软骨细胞。 附着,潜在地影响细胞表面因子受体的表达和细胞的分化。 2.1根据支架空间结构的不同,可分为二维支架和三维支 架。大量实验证明,在二维支架平面培养的条件下,软骨细胞 易受细胞接触抑制的影响,出现去分化,表现为成纤维细胞 样形态学改变,不能表达特定的软骨蛋白,如II型胶原、氨基 葡聚糖等,而大量表达I型胶原“ 。在三维支架培养的条件 下,三维环境更近似体内微环境,软骨细胞可以再分化,表达 II型胶原,合成ECM。 1.1.3.3脂肪来源的问充质干细胞:2001年,Zuk等E 1从人吸 脂术抽取的脂肪组织悬液中,第一次分离取得了多向分化干 细胞,命名为processed 1ipoaspirate(PLA)。Ogawa等 ] 将脂肪干细胞传代2次后,加入软骨诱导DMEM培养液,应用 微球培养的方法培养4周,可以检测到aggrecan和coI—II、 coI—X等基因表达,组织学染色可以发现阿丽辛蓝(alcian— blue)染色阳性细胞,这些都证明脂肪干细胞可以向软骨细 胞分化。因ADSCs来源充足、获取方便、对培养基的要求低、 2.2按其应用形态可分为:凝胶类、微球类、海绵类及人工高 分子聚合物支架材料。 2.3支架根据生物材料的差异,可分为天然生物材料、人工 合成高分子材料和复合材料“ 。 2.3.1天然生物材料:主要包括胶原、明胶、纤维蛋白、壳聚 体外扩增能力强等优点,引起了学者们的广泛关注,目前分 离常用贴壁筛选法。 1.1.3.4人脐带问充质干细胞:大量研究表明脐带间充质干 细胞具有多向分化潜能,它在体内外可以分化为骨细胞、软 骨细胞、肝细胞、心肌细胞、骨骼肌细胞以及神经元细胞等。 侯克东等“ 研究发现人脐带MSCs具有向软骨自然分化的特 糖、琼脂、糖胺多糖(如:透明质酸、硫酸软骨素等)、藻酸 盐、蚕丝蛋白 1、几丁质、松质骨骨基质、脱细胞基质等,天然 生物支架材料来源于生物体本身,具有组织相容性较好,毒 性较小,易降解,且降解产物易被人体吸收而不产生炎症反 应等优点,所以在组织工程中作为细胞培养的支架材料具有 人工合成材料所不可比拟的优势。 点。此外脐带MSCs天然表达Sox一9和Col一2A1,其中Sox一9 基因能够结合软骨细胞特征性的II型胶原、aggrecan蛋白 增强子基因使其活化表达,对于软骨的分化、发育、起着 重要作用,从分子水平揭示了人脐带MSCs具有与软骨细胞 相似的特性,表明它可能更适合于构建工程软骨组织。 2.3.2人工合成高分子材料:人工合成高分子材料的微结 构、机械性能以及材料的降解时间等都可以预先设计和调 控,包括有机合成材料和无机合成材料。无机材料以羟基磷 灰石、磷酸三钙为代表,有机材料以聚乳酸、聚羟基乙酸、聚 羟基乙酸/聚乳酸复合物(PLGA)、聚己内酯、聚环氧乙烯、聚 乙烯醇、聚氧化乙烯等高分子聚合物为主。人工合成材料不 1.1.3.5其他来源的间充质干细胞:其他来源的间充质干细 胞在软骨组织工程方面的应用也被诸多学者加以研究,其他 来源的间充质干细胞在软骨组织工程方面的应用也被诸多 学者加以研究,如Nawata等Eu1用取自第19天的胎鼠大腿的 受来源的,容易加工成形,可根据需要调整物理、化学、 生物力学和降解性能。生长因子和其他一些药物刺激因子可 以涂于支架上面以刺激细胞进行增殖和分化。但是在运用中也 通讯作者碍口树忠,第四军医大学西京医院全军整形外科研究所主任、教授、主任医师、博士生导师;E-mail:shuzhong@fmmu.edu.cn 中国美容医学2010年4月第19卷第4期Chinese Journal of Aesthetic Medicine.Apr.2010.Vo1.19.No.4 613 发现了不少缺点,如其亲水性不够,对细胞的粘附性较弱,降解 产物偏酸性可引起炎症反应等,并且有一定的免疫原性 。 2.3.3复合材料:复合材料是目前研究的热点,即将两种或 两种以上具有互补特征的生物相容性可降解材料按一定比 例和方式组合,可设计出结构与性能优化的三维材料,以弥 补单用人工合成或天然生物材料的缺陷。复合材料的制备不 仅包括同一类生物材料的复合,还包括不同类别生物材料之 间的交叉复合。目前主要有:天然生物材料之间的复合、人工 合成高分子材料之间的复合、天然生物材料与人工合成高分 子材料之间的交叉复合。 2.4根据支架制作的特征,可将支架分为预制支架和可注射 型支架两类。可注射型支架具有微创的优点,并能为细胞的 增殖与分化提供更为接近于天然细胞外基质的化学和物理 环境。目前可注射型支架是以水凝胶为基础,常用的有纤维 蛋白凝胶、藻酸钙凝胶、透明质酸、聚氧化乙烯酸、二甲基丙 烯、聚丙烯延胡索酸复合乙烯凝胶、聚氧化丙烯等。 2.5纳米材料:纳米材料由于结构上的特殊性,具有一些独 特效应,如表面效应和体积效应等。它主要是支架材料制作技术 上的创新,而非新出现的物质。纳米尺寸的粗糙表面能够适度地 细胞粘附、增殖、分化和凋亡。Hong等 研究提示羟基磷灰 石(HAP)纳米微粒的加入有助于软骨细胞在支架上的粘附和 扩增,也可提高材料的生物相容性。 3细胞因子 对软骨种子细胞有明显调节作用的细胞因子主要有转 化生长因子一13(transforming growth factor13, TGF—B)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic p roetein,BMP)、胰岛素样生长因子(insulin—like growth factor,IGF)、成纤维细胞生成因子(fibroblast growth factor,FGF)、肿瘤坏死因子(tumour neeros i S factor, TNF)、甲状旁腺激素相关蛋白(trFHrP)、肝细胞生长因子( hepatocyte growth factor,HGF)以及近几年新发现的软 骨调节素(chondromodul in)等 。 3.1转化生长因子:转化生长因子13(Transforming growth factor—B,TGF—B)是一种细胞生长和细胞外基质合成的多 功能调节器,它可以促进软骨细胞增殖,增加蛋白多糖和II 型胶原合成。可能通过增强软骨转录因子Sox9的表达,促进 细胞聚集,达到软骨分化的必需条件。TGF—B包括TGF— 、 TGF一13 2、TGF— 3及TGF—B 4种形式 ]。TGF— 是诱导 BMSCs向软骨细胞分化的主要细胞因子,能刺激软骨细胞分 泌蛋白聚糖和II型胶原,并保持软骨细胞表型稳定。TGF-B。 的生物学功能与TGF—B。相似,对软骨和成骨分化具有调节 作用。TGF—B 通过调节甲状旁腺激素相关蛋白的分泌,促进软 骨细胞分化成熟[22/。TGF B。是T促软骨形成的重要细胞因子, 它通过增强Sox9表达,促进蛋白聚糖和II型胶原合成[233。 Goessler等 报道TGF一13 基因在软骨去分化过程中表 达,提示其在软骨去分化过程中发挥作用。 3.2骨形态发生蛋白(hone morphogenetic p roctein, BMP):骨形态发生蛋白家族成员有40多个,其中BMP一2、 BMP一3、BMP一7与软骨组织的形成和修复密切相关。BMP可以 刺激MSCs向软骨细胞分化,并能较长时间地维持软骨细胞 表型 。根据序列同源性分析,可分为几个亚群,其中属于 BMP一2/BMP一4亚群和成骨蛋白1(osteogenic protein 1, OP一1)亚群的BMP,大多数能在体内诱导骨及软骨形成。 3.3胰岛素样生长因子(insulin一1ike growth factor, IGF):IGF一1在软骨发育过程中可促进软骨基质合成,刺激增 殖,调节细胞程序性死亡,诱导软骨细胞表面标记物的表达[26 。 Longobardi等[271发现IGF l刺激软骨形成是于 TGF—B信号系统,本身具有强大诱导软骨分化的潜力,与 TGF— 合用有协同效应。 3.4血小板源性生长因子(PDGF):血小板源性生长因子最初 被认为是纤维细胞生长的促进因子,血浆中大量存在,但细 胞浆内微量存在。现在发现还具有促进结缔组织、胶质与平 滑肌细胞的增殖等功能 ]。 3.5成纤维细胞生成因子:由多种不同结构的相关多肽组 成,碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)是有代表性的细胞因 子,单独应用bFGF作用于体外培养的单层软骨细胞,可强烈 刺激软骨细胞增殖,并维持细胞表型 ]。 3.6软骨调节素(ChM):软骨调节素(chondromodulin)是一 组软骨特异性生长因子,分为I、II、III 3种。Hiraki等 证 实并克隆了25KD的糖蛋白chondromodulin一1,并报道了它 的结构和生物学活性。ChM21在体内和体外均能够刺激软骨 细胞培养体系中软骨细胞的生长及集落形成,并抑制新生组 织血管形成的作用。 4基因修饰 多种细胞因子有促进软骨修复的作用。通过基因重组技 术,将细胞因子基因导入软骨细胞或相关细胞,使之在病损 部位分泌生长因子并维持所需的浓度和时间,有效促进软骨 的修复,这就是基因修饰的组织工程技术(gene modified technology)。与外源性给予生物因子相比,内源性诱导的生 物活性因子表达更加稳定、持久及可靠。 4.1软骨组织工程中转染的目的基因主要有:TGF—B因子、 胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子和骨形态发生蛋白 因子、Sox9、bFGF、TNF受体、IL—l0、IL一4、IL一3等 ,对种子 细胞增殖、分化具有重要影响的生物活性因子基因。 4.2基因转染载体:载体是基因修饰的关键,目前基因转染 载体分为病毒载体和非病毒载体两大类。病毒载体包括逆转 录病毒、腺病毒、杆状病毒等,非病毒载体包括脂质体、 FuGene6。 4.3基因治疗的方法分为:直接转移技术、间接转移技术。直 接转移技术的常用手段有组织内直接注射质粒DNA、重组病 毒载体等,主要缺点是基因表达期相对短暂,转基因效率低。 间接转移技术是从患者体内收集靶细胞,体外培养,经过体 614 中国美容医学2010年4月第19卷第4期Chinese Journa1 0f Aesthetic Me由cine.ADr.2010.Vo1.19.N0.4 外基因转染后,再重新用于患者体内,可以避免病毒载体的 危害,但操作较复杂,需具备良好的组织细胞培养技术和再 植入技术 ]。 [参考文献] [1]tiEl ̄.再生医学.机遇与挑战[J].中华创伤杂志,2006,22(1):l一4. 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